江思宏，梁清玲，白大明，聶鳳軍，劉翼飛，陳春良

中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京, 100037

內(nèi)容提要：澳大利亞是世界上鐵礦石資源最為豐富的國家之一，其鐵礦床主要產(chǎn)在西澳皮爾巴拉地區(qū)，有三種類型，分別是: ① 賦存在條帶狀含鐵建造(BIF)中的層狀鐵礦床(BID),② 產(chǎn)在古河道中的河道型鐵礦床(CID)，和 ③ 主要由BID受侵蝕崩塌或沖積形成的碎屑型鐵礦床(DID)，以前兩種類型為主。BID型鐵礦通常品位高，規(guī)模大，是本區(qū)最為重要的礦床類型，其礦床成因尚存在爭論，主要有三種觀點，分別是表生—變質(zhì)模式、同造山的熱液模式和深成—表生模式。CID型鐵礦由于其規(guī)模較大和容易開采，因此在西澳的鐵礦石開采中占有很重要的地位，礦石以球粒狀構(gòu)造和富含鐵化的木屑為主要特點。關(guān)于CID型礦床的成因，爭議較大，觀點甚多。一些學(xué)者認(rèn)為CID型礦床的形成受特定條件(包括氣候、地表風(fēng)化和地質(zhì)背景)的控制；而有些學(xué)者則認(rèn)為CID型礦床形成于一個富含有機酸的飽和地下水的加積河道內(nèi)，與鐵的原位溶解和再沉淀有關(guān)。礦化發(fā)生在古地下水—大氣界面，因此受地下水位的控制。由于對鐵礦的礦床成因沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，因此對指導(dǎo)找礦產(chǎn)生了較大影響。

2012年度，中國鐵礦石的進口總量達7.436億噸，其中從澳大利亞進口3.5146億噸，占中國鐵礦石進口總量的47.26%，創(chuàng)下進入新世紀(jì)以來的最高紀(jì)錄(閻瑞霞，2013)。澳大利亞作為世界上鐵礦石資源最為豐富的國家之一，所有的州都有鐵礦床產(chǎn)出，但90%的鐵礦石資源量和產(chǎn)量都來自西澳洲皮爾巴拉克拉通(Pilbara craton)的哈默斯利省(Hamersley Province)，澳大利亞資源量超過10億噸的18處鐵礦均產(chǎn)在這里(圖1)，這里也是世界上主要鐵礦省之一(Jaques et al., 2002；Jaireth and Huleatt, 2010)，其鐵礦石資源總量估計有400億噸(Morris and Kneeshaw，2011)。近年來在西澳伊爾崗克拉通(Yilagarn craton)也發(fā)現(xiàn)了一些鐵礦床(圖1)，但是規(guī)模和品位都不及皮爾巴拉地區(qū)的鐵礦。皮爾巴拉地區(qū)的鐵礦以赤鐵礦為主，磁鐵礦很少。相比較而言，伊爾崗克拉通上鐵礦石的磁鐵礦含量較高，被認(rèn)為是與更高級的區(qū)域變質(zhì)作用有關(guān)(Morris and Kneeshaw，2011)。

圖 1 澳大利亞鐵礦分布圖(引自Jaireth and Huleat，2010)Fig. 1 Australian Iron mineral resources(after Jaireth and Huleat，2010)

皮爾巴拉地區(qū)的鐵礦有三種類型，分別是：① 賦存在條帶狀含鐵建造(Banded Iron Formation， BIF)中的層狀鐵礦床(bedded iron deposit， BID)，礦石中的礦物主要為赤鐵礦和赤鐵礦—針鐵礦；② 產(chǎn)在古河道中的河道型鐵礦床(channel iron deposit， CID)，礦石中的礦物主要為針鐵礦—赤鐵礦，③ 主要由BID受侵蝕崩塌或沖積形成的碎屑型鐵礦床(detrital iron deposit， DID)，量少，礦石中的礦物主要為赤鐵礦—針鐵礦(Ramanaidou et al.，2003; Morris and Ramanaidou，2007)。BID型鐵礦規(guī)模大，品位高，對其研究最多；CID型礦床相對較為簡單，規(guī)模和資源量相對較小，研究也相對較少。而對DID型鐵礦，盡管也是一種礦床類型，但是作為單一鐵礦床產(chǎn)出的非常少，而且單個礦床規(guī)模小，從200～1000萬噸，其資源總量大約只有5億噸，年產(chǎn)量也僅有約500萬噸，與皮爾巴拉地區(qū)每年2～3億噸的鐵礦石總產(chǎn)量相比，幾乎可以忽略不計(Morris and Ramanaidou，2007)。由于DID型鐵礦成因相對簡單，因此也很少有文章對其專門進行論述。

鑒于澳洲鐵礦主要產(chǎn)于皮爾巴拉地區(qū)，而對鐵礦床的研究也主要集中在這個地區(qū)，因此，可以說皮爾巴拉地區(qū)哈默斯利盆地鐵礦床的研究現(xiàn)狀基本上就代表了澳洲地區(qū)鐵礦床的研究現(xiàn)狀。

我們在執(zhí)行國家地質(zhì)調(diào)查項目“澳洲—印度克拉通成礦區(qū)地質(zhì)背景與成礦規(guī)律研究”(項目編號：1212011120325)期間，對澳洲皮爾巴拉地區(qū)鐵礦床的有關(guān)研究文獻進行了系統(tǒng)收集和整理，對該區(qū)鐵礦床成礦規(guī)律的研究現(xiàn)狀和存在問題進行了總結(jié)，這不僅提高了我們對前寒武紀(jì)BIF型鐵礦床成礦規(guī)律的認(rèn)識，為國內(nèi)BIF型鐵礦床的找礦提供借鑒，而且為國內(nèi)企業(yè)走出去在西澳開展鐵礦床的找礦勘查提供基礎(chǔ)信息和理論指導(dǎo)。

1 研究歷史

皮爾巴拉地區(qū)的鐵礦找礦工作始于上世紀(jì)初。1909年，西澳政府地質(zhì)學(xué)家吉布·梅特蘭(Gibb Maitland)報道了哈默斯利山脈(Hamersley Range)有BIF (Miller，1976)。1921年，西澳州地質(zhì)學(xué)家陶寶特(H.W.B. Talbot)也在哈默斯利山脈發(fā)現(xiàn)了富集的含鐵建造。但是直到1957年，兩位澳大利亞的探礦者斯坦·赫爾蒂奇(Stan Hilditch)和查理斯·沃爾曼(Charles Worman)才在鯨背山(Mt. Whaleback)發(fā)現(xiàn)了富鐵礦石，從此拉開了該區(qū)鐵礦的找礦大幕，并一直延續(xù)到現(xiàn)在。

隨著皮爾巴拉地區(qū)鐵礦床的相繼發(fā)現(xiàn)，對其研究工作也從上個世紀(jì)60年代起逐步開展起來。1976～1994年，由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)研究院(CSIRO)與澳大利亞礦業(yè)研究會(AMIRA)共同發(fā)起、資助的對哈默斯利省鐵礦床的研究，取得了豐碩的成果。R. C. Morris 和 A. F. Trendall 對產(chǎn)出在哈默斯利盆地的鐵礦床做了大量開創(chuàng)性研究(Lascelles, 2012b)，提出了BID型和CID型鐵礦床的成礦模式。從上世紀(jì)90年代末開始，一些學(xué)者對BID型鐵礦床的傳統(tǒng)成因模式提出挑戰(zhàn)，認(rèn)為屬于深成熱液成因(Taylor et al.，2001；Hagemann et al., 2007)。進入新世紀(jì)以來，隨著全球(尤其是中國)對鐵礦石需求的大幅增長，對BID型鐵礦床的研究也進入了一個新的階段，利用新技術(shù)、新方法對BID型鐵礦床開展了深入的研究，加深了對該類型鐵礦床成礦規(guī)律的認(rèn)識和理解(Hagemann et al., 2007)，但是對礦床成因的爭論依然非常激烈(Morris and Kneeshaw，2011)。對CID型鐵礦床的成因也同樣存在爭議。

2011年，Morris and Kneeshaw在《Australian Journal of Earth Sciences》雜志上發(fā)表了對西澳哈默斯利BIF容礦的鐵礦床成因模式的評論，系統(tǒng)總結(jié)了BID型鐵礦的特點(Morris and Kneeshaw，2011)。該篇文章作為2011年度在《Australian Journal of Earth Sciences》雜志上刊登的最優(yōu)秀的經(jīng)濟地質(zhì)論文，獲得了澳大利亞地質(zhì)學(xué)會(GSA)授予的愛德華茲獎(A. B. Edwards Medal)。

2 地質(zhì)背景

西澳皮爾巴拉克拉通被認(rèn)為保存了世界上最為完整的太古宙巖石(3.51～2.85Ga)，由綠巖和花崗巖組成，其上被一套含有BIF的火山—沉積巖所覆蓋(Rasmussen et al., 2005)。這些BIF產(chǎn)于皮爾巴拉克拉通南部的哈默斯利盆地，它是一個長近600 km，最寬處達350 km的長軸呈北西西向的一個橢圓形盆地，面積大約15萬km2。該盆地是由皮爾巴拉克拉通南部邊緣在新太古代—古元古代時期伸展發(fā)育形成的(Tyler and Thorne, 1990)。盆地沉積環(huán)境為海相和河流相，沉積時間大約在2775～1843Ma，主要巖性為硅質(zhì)碎屑巖、BIF、白云巖、鎂鐵質(zhì)和長英質(zhì)火山巖。

哈默斯利盆地中沉積的最古老地層為福特斯庫群(Fortescue Group，沉積時間為2775～2600Ma)，不整合覆蓋在皮爾巴拉克拉通基底巖石之上，巖性主要為基性熔巖、科馬提巖、長英質(zhì)火山巖、凝灰?guī)r和泥巖，沉積厚度超過4500m。其上整合沉積的是哈默斯利群(Hamersley Group)，主要巖性為BIF、碳酸鹽巖、頁巖和酸性火山巖。這套巖層是哈默斯利地區(qū)鐵礦的主要賦礦層位，出露面積超過60000 km2(Morris, 1980)，沉積時間為2600～2450Ma(Barley et al., 1992, 1997; Trendall et al., 1998；Brown et al., 2004；Morris and Kneeshaw，2011)，沉積厚度約2400m，其中含鐵建造(BIF)的沉積厚度約為1145m，約占整個地層厚度的48%。這些BIF中鐵的含量大約在30%左右。哈默斯利群有3套含鐵建造，BID型鐵礦主要產(chǎn)于馬拉曼巴含鐵建造(Marra Mamba Iron Formation)和布洛克曼含鐵建造(Brockman Iron Formation)中，其沉積厚度分別為230m 和620m。在哈默斯利群上面的是整合沉積的圖里克里克群(Turee Creek Group，沉積時間為2450～2300Ma)，其主要巖性為頁巖、砂巖、粉砂巖、礫巖和碳酸鹽巖，沉積厚度大約為5000m。上述這三個群地層共同組成了布魯斯山超群(Mt. Bruce Supergroup)，沉積巖總厚度近13.5 km。這套地層記錄了盆地的發(fā)育從最初的裂谷到穩(wěn)定的臺地階段，再到最后由于構(gòu)造活動不斷增強從而形成一些淺水沉積(Tyler and Thorne, 1990)。在布魯斯山超群上面不整合沉積了維魯群，它記錄了由陸地淺海向深水沉積的變化，構(gòu)造環(huán)境從活動大陸邊緣向前陸盆地的轉(zhuǎn)變(Tyler and Thorne, 1990)。

圖 2 哈默斯利盆地沉積速率(引自Trendall等, 2004)Fig. 2 Depositional rates of the Hamersley basin(after Trendall et al., 2004)

哈默斯利盆地的BIF是由微晶狀硅質(zhì)巖和鐵氧化物組成的細(xì)紋層狀化學(xué)沉積物于2.60～2.45Ga沉積在一個緩慢沉降的大陸邊緣(Morris，1985; Barley et al.， 1997)。沉積作用發(fā)生在一個大型的構(gòu)造—巖漿事件期間，BIF中的Fe和Si是在一個或多個大型海底熱液活動增強期間由富含F(xiàn)e和Si的低氧海水逐漸上涌到大陸架沉淀形成的(Barley et al.，1997)。盆地沉積學(xué)與鋯石年代學(xué)研究表明，福特斯庫群和哈默斯利群上部沉積速率較快，而哈默斯利群中部沉積速率相對較慢，反應(yīng)早期盆地快速沉降的特點，到了后期盆地沉降速率發(fā)生較大變化(圖2)。對不同巖性的沉積速率研究表明，哈默斯利群中BIF、碳酸鹽和頁巖的沉積速率具有較大差別，其平均沉積速率分別為：約180 m/Ma、12 m/Ma和5 m/Ma(Trendall et al., 2004)，因此，總的來說，BIF是在盆地快速沉降期間沉積形成的。

哈默斯利省的區(qū)域構(gòu)造特征是北部變形弱，南部變形強。哈默斯利省北部的沉積巖地層基本未受變質(zhì)，向南緩傾(傾角只有幾度)；靠近中部為一些走向北至北西的開闊褶皺，地層緩傾斜；靠近南部邊緣，地層中等到強烈褶皺并局部倒轉(zhuǎn)，是鐵礦床的主要產(chǎn)地(Harmsworth et al., 1990；Brown et al., 2004)。區(qū)域地層大致經(jīng)歷了5期變形，從D1到D5(Brown et al., 2004; Powell and Martin, 1996; Ronaszecki, 1992)。早期變形(D1)可能與成巖作用有關(guān)，形成一些中等規(guī)模的張性構(gòu)造，沒有明顯的地層重復(fù)或者缺失，推測發(fā)生在 2450 Ma之后不久(哈默斯利群沉積結(jié)束)。第二期變形為奧夫薩爾米亞造山運動(Ophthalmia orogeny)(D2)，開始于皮爾巴拉和伊爾崗克拉通之間的南北向匯聚，發(fā)生于約 2439～2209 Ma之間(Trendall et al., 1998)。第三期變形(D3)持續(xù)了大約400 Ma，至少包括兩期事件，一期是隆起和剝蝕事件，另外一期是褶皺事件。第四期變形為卡普里考恩造山運動(Capricorn orogeny)(D4)，大約發(fā)生在1700～1650 Ma，是伊爾崗和皮爾巴拉克拉通斜向碰撞的結(jié)果(Tyler and Thorne, 1990)。第五期變形，緊接著在卡普里考恩造山運動之后，區(qū)域上發(fā)生了右旋斷裂和局部的褶皺(D5)。由奧夫薩爾米亞造山運動產(chǎn)生的區(qū)域變質(zhì)作用在哈默斯利省北部的變質(zhì)程度最低(葡萄石—綠纖石相)，向南變質(zhì)程度逐漸增加，達到綠片巖相(Smith et al., 1982)。

哈默斯利省地區(qū)巖漿活動相對較弱，出露的侵入巖主要為一些基性巖脈。另外，在新太古代—古元古代的地層中也有一些火山巖分布。

3 BID型礦床

3.1 礦床特點

西澳皮爾巴拉地區(qū)的BID型鐵礦主要產(chǎn)在哈默斯利盆地的南部，并且絕大多數(shù)產(chǎn)在布羅克曼含鐵建造(Brockman Iron Formation)分布區(qū)，少量產(chǎn)在馬拉曼巴含鐵建造(Marra Mamba Iron Formation)分布區(qū)(圖3)，與這些BIF地層關(guān)系非常密切。

BID型礦床又可以進一步細(xì)分為兩種不同的礦石類型：即中生代—古新世由表生作用形成的假像赤鐵礦—針鐵礦(martite-goethite，縮寫M-G)礦石(圖4a)和大約2.0Ga形成的高品位的假像赤鐵礦—微板狀赤鐵礦(martite-microplaty hematite， 縮寫M-mplH)礦石(Morris and Kneeshaw，2011)(圖4b)。表生作用形成的M-G礦石在澳大利亞以外并不常見，而M-mplH 礦石則是世界范圍內(nèi)主要的鐵礦石資源。

Morris and Kneeshaw(2011)總結(jié)了BID型礦床具有如下特點：① 規(guī)模：單個礦床的鐵礦石(品位>64%)儲量從幾千噸到30億噸，沿走向延伸可達7 km甚至更多，寬達4 km，通常在不到1m的范圍內(nèi)就可以從礦石(>55% Fe)突變到BIF(<30% Fe)；② 礦石的純度：礦石以三價鐵氧化物為主，還有少量殘余的鋁/硅質(zhì)成分，外來成分極其罕見；③ 礦石的氧化狀態(tài)：盡管有一些規(guī)模較小的礦床以磁鐵礦為主，還有一些是磁鐵礦和赤鐵礦，但是世界范圍內(nèi)的鐵礦石主要是由氧化的赤鐵礦或赤鐵礦—針鐵礦組成。盡管它們具有氧化特征，但是通常它們都延伸到大氣能夠影響到的深度之下，而且淺部礦石與深部礦石在礦物組成上沒有明顯的區(qū)別；④ 地層細(xì)節(jié)的保存：礦石中常見原巖層理，從厚層理到微層理。

皮爾巴拉地區(qū)典型的BID型鐵礦包括：世界上最大的露天鐵礦山——鯨背山(Mt. Whaleback)、湯姆普拉爾斯山(Mt. Tom Price)和帕拉伯杜-查納(Paraburdoo-Channar)、哈默斯利(Hamersley)、西安吉拉斯(West Angelas)、采礦區(qū)C(Mining Area C)、吉姆布勒巴(Jimblebar)、霍普當(dāng)斯(Hope Downs)、所羅門(Solomon)、迪普達爾·簡(Deepdale J)、巴爾毛拉爾南部(Balmoral Southern)、巴爾毛拉爾中部(Balmoral Central)、開普蘭姆伯特(Cape Lambert)、帕杜(Pardoo)和圣誕小溪(Christmas Creek)等大型鐵礦床。

3.2 BID型礦床成因

最初，哈默斯利省的這些BID型鐵礦床都被認(rèn)為是表生成因，與古近紀(jì)的風(fēng)化作用有關(guān)(Macleod，1966)。后來，由于對礦石礦物學(xué)、BIF以及整個哈默斯利省地質(zhì)歷史的詳細(xì)研究，對這一古近紀(jì)成礦時代和表生成因結(jié)論提出了疑問，King(1989)認(rèn)為是同生成因，而Tyler and Thorne(1990)和Powell 等(1999)認(rèn)為完全是深成成因，Kneeshaw(1975)認(rèn)為是深成模式但是有后期的表生作用疊加。

總的來說，大致有三種不同的模式來解釋哈默斯利省鐵礦床的成因，分別是表生—變質(zhì)模式、同造山的熱液模式和深成—表生模式，下面分別予以介紹。

3.2.1 表生—變質(zhì)模式

圖 3 哈默斯利盆地布魯克曼含鐵建造(Brockman Iron Formation)和馬拉曼巴含鐵建造的出露區(qū)域及其內(nèi)產(chǎn)出的主要BID型鐵礦床(引自Morris and Kneeshaw, 2011).Fig. 3 Main outcrop areas of the Brockman Iron Formation and the Marra Mamba Iron Formation with their important BID deposits(after Morris and Kneeshaw, 2011)

圖 4 (a)表生M—G礦石主要由假像赤鐵礦(M)和針鐵礦組成，以及少量的碳酸鹽(Gc)、石英(Gqtz)和硅酸鹽；(b)M-mplH礦石由假像赤鐵礦和原生赤鐵礦組成，在基質(zhì)中見到多孔的微板狀赤鐵礦(引自Morris and Kneeshaw, 2011)Fig. 4 (a) Supergene M-G ore comprising martite (M) with goethite after carbonate (Gc), quartz (Gqtz), and silicates; (b) M-mplH ore comprising martite and primary hematite in a matrix of porous microplaty hematite(after Morris and Kneeshaw,2011)

圖 5 BID型鐵礦的表生和表生—變質(zhì)成因模型示意圖(引自Morris and Kneeshaw, 2011)(注：圖中的假像磁鐵礦，英文名Kenomagnetite，化學(xué)式：Fe3-xO4，它是介于磁鐵礦和磁赤鐵礦之間的一個過渡體，Morris，1980)Fig. 5 Schematic of supergene and supergene metamorphic genetic modelling for the BID deposits (after Morris and Kneeshaw, 2011)

基于對哈默斯利省鐵礦床的長期研究，Morris(1985)曾提出了一個被廣泛接受的表生—變質(zhì)成礦模型，建立了M-G礦石的表生模式(supergene model)和M-mplH礦石的表生—變質(zhì)模式(supergene-metamorphic model)(圖5)。Morris(1985)和Morris and Kneeshaw(2011)認(rèn)為最初在2±0.2Ga在哈默斯利省發(fā)生了BIF的表生富集，這些M-G礦石形成于古元古代大氣能夠到達的位置，受季節(jié)性氧化的電化學(xué)反應(yīng)在BIF母巖(陰極)的滲流帶通過導(dǎo)電的磁鐵礦層到深部反應(yīng)帶(陽極)，硅質(zhì)和碳酸鹽被古元古代風(fēng)化面下的靠近地表的大氣降水淋濾掉。這些M-G礦石在元古宙約80～100℃的區(qū)域變質(zhì)作用/成巖作用過程中，在局部熱液環(huán)境中從基質(zhì)針鐵礦中形成微板狀赤鐵礦(mplH)，并從殘余的針鐵礦中形成M-mplH礦石。在白堊紀(jì)—古新世由于暴露和侵蝕，發(fā)生了表生富集，形成了第二期的M-G礦石，受到地下水的淋濾和侵蝕，帶走了大量殘余的針鐵礦，留下了低磷的赤鐵礦礦石，形成了Mt. Whaleback 和Mt. Tom Price 礦床中不含針鐵礦的M-mplH礦石。而在Paraburdoo 礦床中的M-mplH—針鐵礦礦石中，殘余的針鐵礦很常見，說明該礦床是近期才暴露出來，沒有受到表生作用的改造。但是，Goode(2012)認(rèn)為，哈默斯利盆地富含針鐵礦的礦體可能與中生代晚期—古近紀(jì)地表下的深層風(fēng)化作用有關(guān)。在這個模型中，微板狀赤鐵礦(mplH)的形成包括兩個階段，① 在古元古代風(fēng)化面之下靠近地表的地下水通過電化學(xué)反應(yīng)使得BIF發(fā)生表生富集，形成假像赤鐵礦—針鐵礦，② 深達5km的埋藏變質(zhì)作用使得假像赤鐵礦—針鐵礦變成微板狀赤鐵礦(Harmsworth et al., 1990)，并在中生代的表生作用下，使得BIF(35%TFe)變成高品位的鐵礦石(>65%TFe)。

根據(jù)Morris and Kneeshaw(2011)提出的這個模式，假像赤鐵礦—針鐵礦是在哈默斯利群和圖利克里克群沉積之后由于地下水循環(huán)形成的，并在此之后埋藏在維魯群下部接受變質(zhì)作用，從而形成微板狀赤鐵礦礦石。但是，在維魯群底部礫巖層中發(fā)現(xiàn)了微板狀赤鐵礦碎屑顆粒，使得表生模式遇到了挑戰(zhàn)，因為沒有證據(jù)表明，在圖利克里克群和維魯群沉積巖之間，有厚達5km的巖石被剝蝕掉。相反，盆地分析表明(Powell et al., 1999)，維魯群下部與波爾吉達組和圖利克里克群都是沉積在同一前陸盆地，以致一些微板狀赤鐵礦礦體是在奧夫薩爾米亞造山運動期間形成的。在紐曼地區(qū)，靠近與D2同期或稍后形成的赤鐵礦—石英脈，赤鐵礦直接交代了含磁鐵礦—石英的BIF，這說明流體運移和礦化是與奧夫薩爾米亞期構(gòu)造事件同時發(fā)生的，Powell等(1999)等因此提出了同造山熱液成因模式。而Lascelles(2012a)認(rèn)為，這些高品位的M-G鐵礦床的鐵礦石里沒有指示曾經(jīng)含有硅質(zhì)條帶，因此可能本來就不含硅質(zhì)條帶，所以也就不存在這些硅質(zhì)條帶被表生作用淋濾掉。

Morris and Kneeshaw(2012)反駁認(rèn)為，Paraburdoo 礫巖中的沉積針鐵礦可能是最近風(fēng)化形成的，而不是古元古代，并且這些礫巖甚至有可能是有礦業(yè)公司在早期填圖時搞錯了，而把它放在了Mount McGrath組里面。

3.2.2 同造山熱液模型

Powell等(1999)用同造山熱液模型(synorogenic hydrothermal model)來解釋BID礦床的成因，認(rèn)為富含赤鐵礦的礦石不是形成于埋藏變質(zhì)作用，而是由早古元古宙造山作用期間氧化的熱液流體(>200-400℃)和還原的BIF反應(yīng)的結(jié)果。他們認(rèn)為，不僅哈默斯利盆地南緣的富含赤鐵礦的礦石形成于大約2450～2200 Ma 的奧夫薩爾米亞造山運動，而且還認(rèn)為M-G礦石也可能是微板狀赤鐵礦礦石的低溫變體，并且形成在遠(yuǎn)離造山前鋒。Li等(2000)基于廣泛的古地磁研究，拓展了這個模型，并提出了M-mplH礦石形成或重結(jié)晶的兩個主要階段，一個可能與奧夫薩爾米亞造山運動有關(guān)，另外一個與1800～1650 Ma 的阿詩伯頓造山運動(Ashburton Orogeny)有關(guān)，成礦受隆起山脈到前陸盆地驅(qū)動的盆地?zé)崃黧w與更冷的大氣降水的混合作用控制。

3.2.3 深成—表生模式

基于對哈默斯利省高品位赤鐵礦床的系統(tǒng)研究，Taylor等(2001)提出了M-mplH礦石的深成—表生模式(hypogene-supergene model)，認(rèn)為本區(qū)鐵礦床受元古代時期隆起和伸展階段形成的正斷層系統(tǒng)控制，赤鐵礦石賦存在布魯克曼含鐵建造里，成礦是由于脈石礦物多階段不斷從主巖中遷出，致使鐵在殘余物中富集，并認(rèn)為這些高品位鐵礦的形成經(jīng)歷了4個主要階段：第1階段是深成作用階段，由相對還原的、低溫(150～250℃)、咸的盆地?zé)崃黧w從BIF中帶走了所有的自由Si，剩下鐵氧化物、碳酸鹽、鎂硅酸鹽和凝灰質(zhì)，鐵礦物的氧化狀態(tài)沒有發(fā)生明顯改變。第2階段是深部大氣降水循環(huán)作用階段，大氣降水向下深循環(huán)，磁鐵礦—菱鐵礦組合被氧化成赤鐵礦—鐵白云石，形成了特征的微板狀赤鐵礦，并且磁鐵礦也轉(zhuǎn)變成了假像赤鐵礦。成礦流體中溫，低鹽度，具有氧化性，表明很可能來自地表。第3階段為淋濾階段，從BIF中帶走了殘余的碳酸鹽脈石礦物，留下了磁鐵礦—磷灰石或赤鐵礦—磷灰石礦物組合，并夾有富鎂的頁巖條帶。第4階段為表生作用階段，與現(xiàn)代風(fēng)化作用沒有區(qū)別，但是在現(xiàn)在的地表下面穿透很深。鎂硅酸鹽轉(zhuǎn)變成高嶺土殘余，大大減薄了頁巖條帶，磷灰石被破壞，較深的風(fēng)化作用又淋濾帶走了Ca和P，最終產(chǎn)物是具有微板狀結(jié)構(gòu)的多孔狀赤鐵礦石，夾有高嶺石化頁巖(Taylor et al., 2001)。根據(jù)Taylor等 (2001)的研究成果, 主要礦化作用的時間發(fā)生在2210～1840 Ma，即在奧夫薩爾米亞造山運動之后，阿詩伯頓造山運動之前。

對于Taylor等(2001)提出的深成模式，Morris and Kneeshaw(2011)認(rèn)為存在如下缺點：① 礦床通常缺少流體通道，以及與成礦有關(guān)的圍巖蝕變；② 需要大量的二階鐵遷移到礦床沉積場所然后氧化成三價鐵再沉淀下來；③ 缺少成礦前的熱液礦物； ④ 在礦床中出現(xiàn)同時代的低溫相，如重結(jié)晶的針鐵礦，沒有被完全淋濾或強烈變質(zhì)。

從前人的研究成果中不難看出，要形成BID型鐵礦，首先是要有一個含鐵較高的礦源層，即BIF，其次是后期的改造，不管是變質(zhì)熱液、盆地鹵水、大氣降水還是表生作用，其實都需要流體對礦源層進行改造。這種改造非常重要，沒有改造，成礦物質(zhì)不能進一步富集，也就成不了富礦。而對一個具體的礦床來說，其流體類型有可能是多種多樣的，有的是以盆地鹵水為主，有的是以變質(zhì)熱液為主，甚至還有的是以大氣降水為主，還有的是以表生作用為主，或者這幾種流體都很重要，共同作用形成了BID型鐵礦。

4 CID礦床

4.1 礦床特點

從全球范圍來看，除了哈薩克斯坦曾報道也發(fā)現(xiàn)有CID型鐵礦外(Morris and Ramanaidou，2007)，其他的所有CID型鐵礦都產(chǎn)在西澳的皮爾巴拉地區(qū)(圖6)，而且皮爾巴拉地區(qū)的CID型鐵礦比哈薩克斯坦的CID型鐵礦規(guī)模大、品位高。因此，可以說為CID型鐵礦是皮爾巴拉地區(qū)所獨有的一種鐵礦床。

圖 6 皮爾巴拉地區(qū)CID型鐵礦床分布圖(引自Morris and Ramanaidou，2007) (圖中虛線X和Y分別代表兩個不同的河道分布范圍，可能與中新世氣候有關(guān))Fig. 6 Geological map showing the distribution of CID deposits in Pilbara region. The dashed lines marked X and Y outline two different channel distributions possibly related to Miocene weather patterns(after Morris and Ramanaidou，2007)

西澳皮爾巴拉地區(qū)CID型鐵礦的資源總量預(yù)計>70億噸。從1972年開始在Robe古河道上游開始開采CID型鐵礦石，到2005年，開采的CID型鐵礦石量占當(dāng)年哈默斯利省鐵礦石開采總量的40%，并且在這之后這個比例還在逐年增加(Morris and Ramanaidou，2007)，可見CID型鐵礦在皮爾巴拉地區(qū)的鐵礦資源中占有很重要的地位。盡管其資源總量不及BID型鐵礦，但是由于其具有品位高(TFe含量>57%)和容易開采的特點，因此每年的采礦量都很大。在國內(nèi)的相關(guān)報告和文獻中尚查不到每年從澳大利亞進口的CID型鐵礦的礦石量。

哈默斯利省的CID型鐵礦主要產(chǎn)在Robe河和Marillana山谷(著名的Yandi鐵礦就產(chǎn)于這條古河道中)的古河道中(圖4)。礦體厚度1～100m，寬度從<1km到幾km不等。Robe古河道是最長的，其產(chǎn)出的CID型鐵礦長度超過150km，Marillana古河道保留的CID型鐵礦長度達80km(Ramanaidou et al., 2003)。

圖 7 (a)CID型礦床似球粒狀(鮞粒和豆粒)鐵礦石，可見被淋濾的球粒(P)、鐵化木(W)和淋濾后遺留下的孔洞(V)；(b)Yandi 富含球粒(P)的CID型礦床中可見長達4cm保存完好的針鐵礦化的木屑，還可見到孔洞中充填的硅質(zhì)(Si)；(c)Yandi礦床中由淋濾形成的富含針鐵礦的樣品中可見很多針鐵礦化的木屑(W)。所有照片都是在反射光下拍攝的(引自Morris and Ramanaidou，2007)Fig. 7 (a) CID comprising pelletoids (ooids and pisoids) with leached peloids (P), ferruginised wood (W), and porosity (V, voids) resulted from leaching; (b) Large (～ 4 cm long) well-preserved fragment of goethitised fossil wood in peloid-rich (P) CID from Yandi. Note also the infill silica in solution voids (Si) in the goethite matrix. (c) Leached goethite-rich sample from Yandi showing numerous fragments of goethitised wood. All photomicrographs are taken in reflected light(after Morris and Ramanaidou，2007)

根據(jù)巖相學(xué)研究結(jié)果，Morris and Ramanaidou(2007)將CID型礦石成分劃分為似球粒(pelletoid)、球粒(peloid)、木化石和基質(zhì)四部分。① 似球粒：是一種具有內(nèi)核和外殼的呈球粒狀的針鐵礦或赤鐵礦(圖7a)，大小從0.25～2mm的鮞粒到2～10mm的豆粒，是礦石的主要組成部分；② 球粒：通常是由細(xì)粒的針鐵礦組成，沒有明顯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其粒度一般要比伴生的似球粒大一些(圖7a、b)；③ 木化石：通常是指鐵化的木屑(圖7a、c)，保存了木質(zhì)結(jié)構(gòu)；④ 基質(zhì)：主要是少量孔狀的鐵質(zhì)。

CID型鐵礦具有如下特點，它們可能與礦床的成因有關(guān)(Morris and Ramanaidou，2007)：① CID型礦床是以河道為邊界的河流沉積礦床，目前僅發(fā)現(xiàn)于西澳和哈薩克斯坦，因此形成這種大型CID型礦床需要特殊的地質(zhì)條件，如富鐵的成礦物質(zhì)，有利的風(fēng)化條件；② 西澳的CID型鐵礦，幾乎見不到殘余的巖石結(jié)構(gòu)；③ CID礦床中數(shù)十億噸的球粒與其上下覆DID礦石中的幾千萬噸的球粒形成了鮮明對比，這表明形成CID型鐵礦需要特殊的條件；④ 與缺少殘余的巖石結(jié)構(gòu)(如BIF)和BID礦石結(jié)構(gòu)相比，CID礦石中常見大量的保存完好的鐵化木碎屑(圖7)，這說明原位的碎屑交代扮演了一種重要角色。

4.2 礦床成因

盡管哈默斯利省CID型鐵礦的勘探和開采已經(jīng)有40多年的歷史了，但是關(guān)于CID型鐵礦的成因仍然存在爭議(Morris and Ramanaidou，2007)。主要觀點有：

(1)CID型鐵礦是河道中的碧玉鐵質(zhì)巖(jaspilite)碎屑交代與去硅化形成的(MacLeod et al.，1963)；

(2)主要是化學(xué)沉淀形成的沼鐵礦(bog iron ore)(Harms and Morgan，1964)；

(3)由BIF風(fēng)化形成的含鐵碎屑堆積的結(jié)果(Campana et al.，1964)；

(4)沼澤中含鐵沉積物和少量碎屑一起沉積的結(jié)果(Butler，1976)；

(5)河道中富鐵碎屑先聚集成一個核，然后進一步沉淀鐵氧化物形成的(Hall and Kneeshaw，1990)；

(6)礦石中的似球粒是土壤成因，但是球粒是似球粒和木化石蝕變的結(jié)果(Stone，2005) ；

(7)是由富鐵碎屑、蝕變BIF和木頭堆積后經(jīng)過鐵質(zhì)交代作用形成的(Heim et al.，2006)；

(8)礦石中的似球粒成分主要是土壤成因，球粒是在層內(nèi)或表土中形成的，而由針鐵礦交代的木屑假像則多發(fā)生于固結(jié)的沉積物內(nèi)(Morris et al.，1993；Morris and Ramanaidou，2007)。

Morris and Ramanaidou(2007)認(rèn)為， CID礦床形成于中新世，主要礦石礦物是針鐵礦和赤鐵礦，形成于成熟地表的辮狀古河道，其原巖包括：前寒武紀(jì)花崗巖、火山巖、變質(zhì)沉積巖、BIF和含鐵的古近紀(jì)河谷沉積物；球粒狀礦石的核部為赤鐵礦，外面包裹有針鐵礦。并且，Morris and Ramanaidou(2007)認(rèn)為一些獨特條件的共同作用才形成了CID型礦床。

(1)獨特的氣候條件：推測在中新世時期，在哈默斯利盆地的地表很可能發(fā)育有一種容易被侵蝕的富鐵土壤，它形成于一個雨量中等、長期溫暖、非季節(jié)性的氣候環(huán)境下。這種富鐵土壤可能以含鋁的針鐵礦為主，總體上缺少母巖結(jié)構(gòu)，并含有大量鐵化的細(xì)木屑或木炭。在沉積物內(nèi)，鐵泥與有機質(zhì)的反應(yīng)似乎使得二價鐵交代木屑，形成鐵化木屑。似球粒的增生膜表明這些球粒曾經(jīng)歷了多期的埋藏、鐵化，然后又重新暴露，反映了從干旱到多雨氣候的這種快速和經(jīng)常性的變化(Morris and Ramanaidou，2007)。從濕潤到干旱氣候的周期性變化可能會延續(xù)上千年，或者更少一些，如果野火扮演一個重要的角色，使得地表的針鐵礦脫水后變成赤鐵礦(或者假像磁鐵礦—磁赤鐵礦)，然后沿著裂縫破碎，并隨著土壤滑動，由于風(fēng)化作用而逐步降低顆粒的大小。顆粒的形狀和大小對運移機制的影響很大，顯然球形顆粒要比不規(guī)則的顆粒運移起來需要的力更小。CID型礦床似球粒的粒徑大小在1～3mm，表明這個范圍內(nèi)的顆粒是最容易聚集和遷移的。在中新世中期，皮爾巴拉地區(qū)的中心大約位于南緯31°，比現(xiàn)在位置更靠近南極10°左右，受向南和北西向延伸的海岸線影響。因此，其降水主要受兩個系統(tǒng)的影響，一個是一股冬季與南極有關(guān)的冷風(fēng)(就像今天西澳西南部那樣)與南赤道流有關(guān)的向北的海洋暖流相互作用，另一個是不受限制的印度尼西亞貫流(露紋流，Leeuwin Current)。這種雙氣候模式的相互作用可能使得陸內(nèi)的Yandi地區(qū)有比沿海更高的降水量，但是其周圍局部地區(qū)卻在這個所需要的降水量之下。

(2)獨特的地表條件：在CID型礦石中，總體上缺少玉髓和粘土，表明風(fēng)化面主要是鐵的氧化物，而那些各種不同的非鐵成分可能在流向河道或在河道內(nèi)運移過程中丟失了。在形成CID的時候，其地表可能生長有獨特的植物，類似荒野的地方，并且地表很少有能夠識別出原始結(jié)構(gòu)的巖石碎屑。現(xiàn)代找不到這種地表。在植被稀薄的情況下，河道沉積有可能會加速。在約 15～11 Ma，CID礦床形成時的海平面在大約150～0m。

(3)獨特的地質(zhì)環(huán)境：這種貫穿全年的潛在的有利降水反過來又需要必要的地質(zhì)背景，即必須要有大量的含鐵建造(BIF)提供礦源。為什么在BID型鐵礦產(chǎn)出的地方幾乎沒有發(fā)現(xiàn)CID型鐵礦？主要原因一是BID礦床產(chǎn)出的地方褶皺緊密，導(dǎo)致BIF露頭較少，而在CID礦床產(chǎn)出的地方均為開闊褶皺，BIF露頭面積大；二是BID型礦床表面不利于形成大量的CID礦床中常見的似球粒。

Heim等 (2006) 提出了BID型鐵礦成因的另外一種觀點。他們用(U—Th)/He 方法在Yandi CID型鐵礦里的自生針鐵礦中獲得的測年結(jié)果表明，頂部針鐵礦的形成年齡為約 18Ma，而底部針鐵礦的形成年齡為約5Ma，這說明隨著深度加深，礦化卻有逐漸變年輕的趨勢。這一趨勢被認(rèn)為與西澳在新近紀(jì)的干旱化使得地下水面逐漸下降，針鐵礦在地下水—大氣界面沉積是一致的。成熟、寬闊和緩傾斜的古河道，說明CID礦床所在流域曾經(jīng)歷了比西澳今天更為潮濕的環(huán)境。河床底部沉積的花粉也表明本區(qū)在早漸新世時期曾是一種更為寒冷和潮濕的氣候，而在這之后，河道加積表明氣候逐漸轉(zhuǎn)為干旱，之前地表風(fēng)化形成的碎屑被快速剝蝕、充填到河道里。這些碎屑多數(shù)是富鐵的巖屑(以前形成的鐵質(zhì)硬殼或者部分風(fēng)化的BIF)和木屑。為了避免植物碎屑被腐爛掉，要求河道加積必須非?？?，使得這些巖屑和木屑能夠被快速埋藏。因此，在干旱剛開始的時候就必須發(fā)生加積，這樣也可以避免加積的河道被侵蝕。由于這些碎屑的形態(tài)和孔隙度/滲透率與周圍的圍巖形成鮮明對比，因此加積的河道很可能還是地下水聚集和潛流的所在地。與大量埋藏的有機質(zhì)反應(yīng)能在河道內(nèi)產(chǎn)生具有還原性質(zhì)的酸性地下水，從而使富鐵碎屑發(fā)生部分溶解，被溶解的Fe2+很快又被氧化成Fe3+，然后在地下水—大氣界面作為針鐵礦膠結(jié)物再沉淀下來。有利于河道鐵化的地球化學(xué)條件也明顯促進了木屑的鐵化。有機物質(zhì)被針鐵礦的假像交代需要地下水飽和，一方面能避免有機質(zhì)分解，另一方面能為交代作用連續(xù)提供離子。體積縮小產(chǎn)生的坍塌將破壞大的碎屑或鐵化木屑的原始結(jié)構(gòu)。隨著新近紀(jì)干旱程度逐漸增加，發(fā)生在地下水—大氣界面的鐵質(zhì)膠結(jié)作用明顯向下遷移，緊隨逐漸下降的地下水位。雖然構(gòu)造隆升也可以造成地下水位下降，但是沒有證據(jù)表明這一時期本區(qū)在抬升。河道的鐵化可能持續(xù)了整個新近紀(jì)。總之，鐵質(zhì)膠結(jié)作用受整個新近紀(jì)地下水位降低控制，針鐵礦的膠結(jié)發(fā)生在古地下水—大氣界面。因此，CID型礦床形成于一個富含有機酸的飽和地下水的加積河道內(nèi)，與鐵的原位溶解和再沉淀有關(guān)(Heim et al., 2006)。顯然，Heim等 (2006)沒有對CID礦石中為什么有這么多的球粒作出解釋，因此還需要進一步的深化研究。

Macphail and Stone(2004)對Yandi CID 礦床的成因研究認(rèn)為，Yandi CID礦床的形成與沿皮爾巴拉海岸向南流的露紋流(Leeuwin Current)有關(guān)。很可能在晚漸新世—早中新世期間，隨著全球變暖，季節(jié)性的雨水增多，有利于形成CID型礦床。而到了早中新世晚期，氣候逐漸變干燥，從而有利于Yandi CID礦床的保存。

5 存在的主要問題

(1)礦床成因研究方面：不難看出，無論是對皮爾巴拉地區(qū)哈默斯利盆地上的BID型鐵礦還是CID型鐵礦，其成因均存在很大爭議，尤其是對BID型礦床，盡管越來越多的證據(jù)顯示熱液活動參與了成礦，并且可能是成礦的主導(dǎo)因素，但是依然存在一些不足(Morris and Kneeshaw，2011)，需要繼續(xù)深入研究，以便揭示BID礦床形成的真正機理。

(2)找礦模式方面：由于哈默斯利盆地上的鐵礦床中基本不含磁鐵礦，礦石磁性很弱或者沒有磁性，不能利用磁法來直接找礦，加上該地區(qū)地表露頭也不太好，因此找礦工作難度較大。盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不少大型鐵礦，也總結(jié)了一些找礦規(guī)律，但是這些規(guī)律在找礦尤其是隱伏礦的時候都有一定的局限性。利用近年來頗為流行的BID型礦床的深成模型和相關(guān)蝕變暈去找礦，至今也沒有獲得新的重大發(fā)現(xiàn)(Morris and Kneeshaw，2011)。歸根結(jié)底，可能還是對礦床的成因沒有完全搞清楚。